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铝及铝合金制品具有深冲性能优良、强度高、抗腐蚀等诸多优良性能,广泛应用于航天、电力、包装、建筑、印刷等领域。全世界原铝、氧化铝、铝材的产量每年都在上升,而每吨铝在加工生产的过程中会产生180~290 kg的铝灰。铝灰又称铝渣,是在电解氧化铝、金属铝加工、废铝回收过程中产生的一种工业固废,根据铝灰中铝含量的不同可分为一次铝灰和二次铝灰。一次铝灰又叫白灰,主要成分是铝和氧化铝,其中金属铝含量可达30%~70%;二次铝灰又叫黑灰,来源于回收一次铝灰或铝合金精炼产生的残渣。二次铝灰中金属铝含量只有12%~18%,主要成分为氧化铝、盐熔剂、氧化物等。二次铝灰因其铝含量低且杂质较多而较难处理,工厂一般会直接填埋处理,但是随着铝灰产量的增多,对生态环境的破坏已经不容忽视。将铝灰中的有价值组分回收再利用,实现变废为宝,对铝工业发展进步和生态文明建设具有重要意义。 一、铝灰有效组分回收 一次铝灰中的铝含量很高,具有很高的回收价值,工业上通常将一次铝灰进行铝回收处理。二次铝灰中仍含有40%的氧化铝和一定量的硅氧化物,有很大的再利用价值,二次铝灰也是铝灰回收问题的难点。火法和湿法是回收铝灰最常用的方法。 1.火法回收的原理:利用铝熔点低的特性,将温度升高至铝的熔点以上,金属铝熔化与其他固相组分分离。回收过程中通常向铝灰中加入一些盐来降低铝的熔点,增加熔融铝的流动性,但是盐的加入会影响后续二次铝灰的处理。火法回收具有简单易行、节约成本等优点,但是火法回收对铝灰中铝含量要求较高,而且回收过程中会产生大量粉尘,加入盐后的固废难以再处理。虽然有等离子体焰炬法、压榨回收法等不含盐火法可以克服上述问题,但是小作坊和大部分企业依旧采用会对环境造成很大破坏的回收方法。 2.湿法回收:利用某些化合物与铝灰中的铝或氧化铝反应,令铝元素以离子形式溶于液相中,从而实现分离。因为铝和氧化铝为两性物质,根据与其反应化合物的酸碱性,湿法可以分为酸浸和碱浸,一般根据铝灰成分来决定使用哪种方法。Sarker等认为采用酸浸法来处理低铁高硅的铝灰优于碱浸法。由于铁几乎不与碱反应,先采用酸处理可以将金属铝从硅中分离出来,然后加入NH3、NaOH调节pH并使Fe形成Fe(OH)3沉淀。酸的浓度会影响Al的浸出速率,在一定浓度范围内,Al浸出速率随着酸浓度升高而加快,但是酸过量反而会导致Al浸出速率的下降。碱浸与酸浸相反,适合处理铝硅比高、高铁型铝灰,浸出液一般选用氢氧化钠溶液。 3. 回收铝元素 目前工业上铝灰回收铝的效率低下,燃料消耗大且污染严重,二次铝灰回收利用方面研究较少。朱方方等用(NH4)2SO4与二次铝灰复合焙烧来提取铝,为二次铝灰的回收方法提供了新的思路。实验中将(NH4)2SO4与二次铝灰中铝按摩尔比5:1的比例混合焙烧,焙烧时间为90 min,焙烧温度为425 ℃。焙烧结束后以水为浸出剂,在浸出温度为85 ℃,浸出时间为60 min,液固比为3.5:1的条件下,二次铝灰中铝的提取率高达85.17%。 吴艳等先用高浓度NaOH溶液来浸出铝灰中的铝,然后加水稀释。对比在稀NaOH溶液中被浸出的铝灰,浓溶液中的铝浸出率大大提高。当浸出温度大于100 ℃,NaOH浓度为70%以上,碱灰比(质量比)7:2,浸出时间30 min时,浸出率可达到93%。但是铝灰与浓碱反应过于剧烈,体系温度会迅速升高,实验温度不宜控制。 李菲将铝灰与NaOH、NaNO3或Na2O2混合熔炼,加水浸出铝得到铝酸钠溶液。溶液静置12 h并滴加H2O2溶液去除铁元素,然后添加石灰脱硅。再将铝酸钠溶液蒸发浓缩,用36~38%的盐酸来调节溶液的αk,使其降低至适合晶种分解。随即采用晶种分解法分解获得Al(OH)3,Al(OH)3干燥12 h后于1200 ℃下煅烧12 h得到α-Al2O3,铝浸出率达到92.71%。熔炼温度的提高会提高反应速率和扩散速率,然而过高的温度会加强体系中Al2O3、SiO2粘度,造成传质速率下降。NaOH浓度的提高可以促进铝酸钠的生成,但是过量加入会使体系粘度增大,进而影响传质速率。NaNO3的加入有利于强化铝的氧化过程,而且产物NaNO2可以还原SiO2生成单质Si,降低了硅的浸出率。采用Na2O2作为添加剂时效果与NaNO3类似。
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